Музыкальная информатика Звук как физическое явление Восприятие

Музыкальная информатика • Звук как физическое явление. Восприятие звука. • Аналоговая запись и воспроизведение звука • Цифровая запись звука. Форматы цифрового звука • Синтез и обработка звука. История, принципы, виды синтезаторов. • Практическая работа с модульным аналоговым синтезатором. • Обзор программ для работы со звуком. Основные приемы обработки. • Практическая работа в редакторе Audacity • Протокол MIDI. Основы использования. • Музыкальная форма в популярной музыке. • Основы аранжировки. • Практическая работа по аранжировке вокальной партии.

Звук как физическое явление. Восприятие звука.

Что такое звук? Воспринимаемое периодическое изменение давления на орган слуха, вызываемое колебаниями тел в упругой среде. Например, если какое-либо тело (классический пример — струна гитары или скрипки) начинает колебаться от щипка пальцем или ведения по ней смычком, то вследствие упругости воздуха эти колебания начнут распространяться в виде волн (попеременного увеличения и уменьшения давления на окружающие предметы). Барабанная перепонка нашего уха под действием воздушных колебаний также начинает колебаться, а информация о характере этих колебаний передается в мозг, который воспринимает их в виде звука. [ анимированный gif ] http: //www. moozon. ru/sites/default/files/books/dot-waves-optical-illusion. gif

Простейшая звуковая волна (на слух воспринимается как щелчок): Что это за звук?

Основные физические характеристики звука Субъективно воспринимаются как высота, громкость и тембральная окраска. Высота определяется частотой звуковой волны. Громкость – амплитудой волны. Тембр – спектральным составом волны. Кроме того, звук обладает пространственной локализацией, т. е. может быть определено местоположение источника звука (направление и расстояние до него). Это называется бинауральным или двуушным эффектом. Для его воспроизведения в звукозаписи используется стереофония, а также системы 3 D или объемного звука. Исследования показывают, что восприятие азимутального направления прихода звука по отношению к положению головы человека связано с разностью фаз или времени прихода колебаний к правому и левому уху, а также с разностью интенсивности волны, приходящей к правому и левому уху.

Теория слуха Гельмгольца Физиком и врачом XIX в. Германом Гельмгольцем было проведено подробное исследование строения внутреннего уха и предложена так называемая резонансная теория слуха. Согласно этой теории, первичный анализ звуковых колебаний происходит в одном из разделов внутреннего уха, т. н. "улитке":

Внутреннее ухо и улитка (Cochlea) Улитка представляет собой заполненный жидкостью перепончатый канал, образующий два с половиной витка спирали. Внутри улитки находится т. н. базилярная мембрана (нижняя перепончатая стенка), на которой расположен Кортиев орган — скопление большого числа резонаторов (т. н. "волосковых клеток"), каждый из которых отзывается на колебания определенной частоты и возбуждает соответствующие нервные окончания, входящие в состав слухового нерва.

Ширина и толщина “ленты” мембраны в начале улитки меньше ширины и толщины в конце улитки. Звуковой сигнал, приходящий со стороны начала улитки, заставляет мембрану резонировать в разных частях. Мембрана устроена так, что высокие частоты вызывают возбуждения в начале мембраны (там мембрана жестче), а низкие частоты — в конце (там она мягче). Максимальные колебания мембраны происходят в той ее части, которая соответствует частоте приходящей звуковой волны. Волосковые клетки, расположенные вдоль мембраны и оказавшиеся в резонирующей области, начинают колебаться, возбуждая тем самым нервные окончания, которые передают информацию о колебаниях в мозг. При этом, конечно, начинает колебаться не какая-то одна точка мембраны, а целый отрезок (ведь мембрана — это своего рода узкая лента типа струны). Таким образом, анализируя информацию о характере колебаний мембраны и волосковых клеток, мозг, подобно спектроанализатору, интерпретирует их, как звук той или иной высоты.

Волосковые клетки под электронным микроскопом: Число волосковых клеток т. н. органа Корти составляет около 24 000, а число нервных волокон, отходящих от них — около 3000. Таким образом, число различных типов раздражений, производимых звуками в слуховом органе, очень велико. Благодаря этому ухо человека позволяет очень тонко различать звуки по их частоте и спектральному составу. [ Другие теории слуха ]

Порог слышимости и «болевой порог» Величина звукового давления, которая едва заметна на слух при отсутствии всяких других мешающих шумов и звуков, называется пороговой величиной звукового давления, или, сокращенно, порогом слышимости. Было выяснено, что пороги слышимости, определенные у ряда людей, могут сильно различаться. Различия эти имеют в общем случайный характер для группы людей одинакового возраста, имеющих нормальный здоровый слуховой орган. Порог слышимости может различаться и у каждого отдельного человека в зависимости от состояния организма в определенный момент: возбуждения, утомления и т. п. Поэтому эта величина является условной и статистической. Исследования на эту тему проводились в США (1938 -39 гг. ), Англии (1956 -57 гг. ), СССР (1958 г. ). На основании международного соглашения в качестве стандарта принята кривая зависимости порога слышимости от частоты для чистого синусоидального звука (стандартный порог, а также границы порога слышимости для 10% и 90% испытуемых): Динамический диапазон слуха человека составляет около 130 д. Б – от порога слышимости до т. н. «болевого порога» .

Высота звука Рассмотрим простейшее звуковое колебание, имеющее синусоидальную форму волны (гармоническое колебание): Высота звука определяется частотой звуковой волны (или, периодом волны). Чем больше частота или меньше период, тем выше звук: Высота звука измеряется в герцах (Гц, Hz) или килогерцах (КГц, KHz). 1 Гц = 1/С. То есть колебание в 1 Гц соответствует волне с периодом в 1 секунду. Поскольку реальный звук может иметь довольно сложный спектральный состав, под высотой звука понимают высоту его основного тона.

Область восприятия звуковых колебаний Условно считается (пренебрегая индивидуальными и групповыми особенностями), что ухо человека воспринимает колебания волн частотой от 16 до 20000 Гц (от 12 -24 до 18000 -20 000 Гц). Частота колебаний выше 20000 Гц относится к области ультразвуков, ниже 16 — инфразвуков. У детей верхняя граница слуха выше и достигает 22 000 Гц. У многих животных верхняя граница слуха выше, чем у человека. Например, у собак она доходит до 38 000 Гц, у кошек — 70 000, у летучих мышей — 100000 Гц. Основную звуковую информацию человеческий мозг получает в области частот до 4 к. Гц. Это оказывается вполне логичным, если учесть, что все основные жизненно необходимые человеку звуки (голоса людей, животных, шум воды, ветра и пр. ) находятся именно в этой спектральной полосе. Частоты выше 4 к. Гц являются для человека вспомогательными, что подтверждается многими опытами. Например, можно легко убедиться в том, что человек почти не способен разобрать речь и другие природные звуки, если из этих звуков “удалить” частоты от 0 до 4 к. Гц, оставив только более высокие частотные составляющие. Одновременно с этим слышимость частот выше 4 к. Гц, как дополнение к основным частотам, создает у человека ощущение более качественного звучания. Поэтому принято считать, что низкие частоты “ответственны” за разборчивость и ясность аудиоинформации, а высокие частоты — за субъективное качество звука. Восприятие инфразвука и ультразвука Когда мы говорим диапазоне воспринимаемых частот, речь идет именно о способности слухового аппарата. Частоты ниже 20 -30 Гц (инфразвук) человек также способен воспринимать, но только уже не ухом, а всем телом, как вибрации. В настоящее время многие специалисты склонны полагать, что и вибрации на частотах, намного превышающих порог 20 к. Гц (ультразвук) также воспринимаются человеком, но уже не ушами или телом, а непосредственно мозгом. Видео: https: //www. youtube. com/watch? v=q. Nf 9 nzvnd 1 k

"Критические полосы" и Барки Критическая полоса (ее также называют полосой равной разборчивости) — это минимальная полоса частот, которая возбуждает одну и ту же часть базилярной мембраны. В частотном промежутке от 0 до 16 к. Гц опытным путем были определены 24 критические полосы: 0 -100 Гц, 100 -200 Гц, 200 -300 Гц, 300 - 400 Гц, 400 -510 Гц, 510 -630 Гц, 630 -770 Гц, 770 -920 Гц, 920 -1080 Гц, 1080 - 1270 Гц, 1270 -1480 Гц, 1480 -1720 Гц, 1720 -2000 Гц, 2000 -2320 Гц, 2320 - 2700 Гц, 2700 -3150 Гц, 3150 -3700 Гц, 3700 -4400 Гц, 4400 -5300 Гц, 5300 - 6400 Гц, 6400 -7700 Гц, 7700 -9500 Гц, 9500 -12 000 Гц 12 000 -15 500 Гц Звуковой сигнал в пределах одной и той же критической полосы как бы обобщается мозгом, создавая близкие слуховые ощущения. Если же звуковой сигнал переходит из одной критической полосы в другую, то слуховые ощущения в момент перехода заметно изменяются, потому что мозг анализирует информацию, полученную из разных критических полос, раздельно. Это не значит, что два тона, попавшие в одну критическую полосу, не различимы на слух, однако, слуховые ощущения внутри одной полосы очень близки, а в разных полосах — отличаются существенно. Участки базилярной мембраны, соответствующие критическим полосам, имеют приблизительно равную длину, которая составляет 1, 2 мм на полосу. Для удобства работы с критическими полосами существует специальная единица измерения частоты — Барк. В таблице приведены 24 критические полосы и соответствующие им параметры:

Барк, № полосы Критическая полоса (диапаз. ), Гц Ширина критической полосы, Гц Центральная частота критической полосы, Гц 0 0 -00 100 50 1 100 -200 150 2 200 - 300 100 250 3 300 - 400 100 350 4 400 -510 110 450 5 510 -630 120 570 6 630 - 770 140 700 7 770 - 920 150 840 8 920 - 1080 160 1000 9 1080 -1270 190 1170 10 1270 -1480 210 1370 11 1480 -1720 240 1600 12 1720 - 2000 280 1850 13 2000 -2310 320 2150 14 2320 - 2700 380 2500 15 2700 -3150 450 2900 16 3150 -3700 550 3400 17 3700 -4400 700 4000 18 4400 - 5300 900 4800 19 5300 - 6400 1100 5800 20 6400 - 7700 1300 7000 21 7700 - 9500 1800 8500 22 9500 -12 000 2500 10500 23 12 000 -15 500 3500 13500

Измерение субъективного ощущения высоты и Мелы На этой шкале равное изменение частоты в Мелах соответствует равному изменению ощущения высоты тона. Уже привычная нам шкала частот с единицей измерения “герц” такого свойства не имеет. Например, изменения частоты от 500 до 1000 Гц и от 1000 до 2000 Гц воспринимаются на слух слушателем, как неравные. В то же самое время звуковой сигнал с частотой 1000 мел кажется слушателю ровно в два раза “выше”, чем сигнал с частотой 500 мел, и в два раза “ниже”, чем сигнал с частотой 2000 мел. (Закон Вебера-Фехнера) График соотношения трех шкал Итак, частотные параметры звука могут измеряться в Герцах, Мелах и Барках. Герц — это единица измерения, которой удобно пользоваться при проведении спектрального анализа. Мел и Барк — это психофизиологические акустические единицы измерения высоты тона, используемые в психоакустике при оценке субъективной высотой тона. Как видно из графика, шкалы барков и мелов приблизительно совпадают, хотя некоторые расхождения наблюдаются в области средних частот.

Инерционность слуха Длительность звука сказывается на высоте тона критическим образом. Так, очень кратковременное звучание (менее 15 мс) любой частоты покажется на слух просто резким щелчком — человек не сможет различить высоту тона для такого сигнала. Высота тона начинает восприниматься лишь после 15 мс для частот в полосе 1000 -2000 Гц и лишь спустя 60 мс — для частот ниже 500 Гц. Это явление называется инерционностью слуха. Оно связано с устройством базилярной мембраны. Кратковременные звуковые всплески не могут заставить мембрану резонировать на нужной частоте, а значит, мозг не получает информацию о высоте тона при очень коротких звуках. Минимальное время, требуемое для распознавания высоты тона, зависит от частоты звукового сигнала, а точнее — от длины звуковой волны. Чем выше частота звука, тем меньше длина звуковой волны и тем меньше инерционность слуха, т. е. тем быстрее мозг улавливает звуковые колебания.